CIRCUITS ANALOGIQUES (partie 2/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Identifier les différents types de transistors (BJT, MOSFET, JFET) et leurs caractéristiques essentielles. - Expliquer le principe de fonctionnement d’un transistor en régime actif, de saturation et de coupure. - Réaliser la polarisation d’un transistor et déterminer son point de repos (Q‑point) à l’aide des courbes caractéristiques. - Sélectionner un transistor adapté à une application donnée (commutation, amplification, régulation). - Monter et analyser les configurations de base d’amplificateur (émetteur commun, collecteur commun, base commun) et le montage en commutation pour commander un relais. - Stabiliser le point de fonctionnement d’un amplificateur à l’aide de contre‑réaction ou de résistances d’émetteur. - Tester un transistor avec un multimètre ou un testeur de gain. - Décrire le fonctionnement, les spécifications et les montages typiques des composants optoélectroniques (LED, photodiode, phototransistor, photorésistance, optocoupleur). - Réaliser des essais simples de ces composants en atelier. **Prérequis** : - Notions de base en électricité continue (loi d’Ohm, loi des nœuds, loi des mailles). - Connaissance des composants passifs (résistances, condensateurs, diodes). - Savoir lire un schéma électronique et utiliser un multimètre. - Notions de sécurité électrique (tension de travail, isolation, ESD). > **À retenir** : Un transistor est un composant actif à trois bornes qui permet de contrôler un courant de sortie par un courant ou une tension d’entrée. ## Introduction contextualisée Dans les installations techniques camerounaises (industrie agro‑alimentaire, télécommunications, énergie solaire), les transistors sont au cœur des systèmes de commande, d’amplification et d’isolement. Que ce soit pour piloter un relais qui démarre un moteur de pompe à eau, pour amplifier le signal d’un capteur de température dans une serre, ou pour isoler une commande numérique d’une puissance élevée grâce à un optocoupleur, la maîtrise des transistors et des composants optoélectroniques est indispensable. Ce chapitre présente les connaissances nécessaires pour choisir, polariser, monter et tester ces dispositifs dans un contexte professionnel conforme au référentiel MINESEC/IGE. ## I. Leçon 13 : Types de transistor, Fonctionnement des transistors, Polarisation et spécifications essentielles d’un transistor, Choix ### A. Types de transistors | Famille | Structure | Contrôle | Avantages principaux | Inconvénients principaux | |---------|-----------|----------|----------------------|--------------------------| | BJT (Bipolar Junction Transistor) | NPN ou PNP | Courant de base (Ib) | Gain de courant élevé (hFE), bonne linéarité | Courant de base nécessaire, dissipation plus forte | | MOSFET (Metal‑Oxide‑Semiconductor FET) | N‑channel ou P‑channel | Tension grille‑source (Vgs) | Impédance d’entrée très élevée, faible courant de commande | Sensible aux décharges électrostatiques (ESD) | | JFET (Junction FET) | N‑channel ou P‑channel | Tension grille‑source (Vgs) | Simplicité, faible bruit | Gamme de tensions limitée, moins utilisé en puissance | > **À retenir** : Le BJT est commandé en courant, le MOSFET et le JFET en tension. ### B. Principe de fonctionnement Un transistor possède trois régions : émetteur (E), base (B) et collecteur (C) pour le BJT ; source (S), drain (D) et grille (G) pour le FET. En régime actif, le courant de collecteur (Ic) est proportionnel au courant de base (Ib) : Ic = hFE·Ib. En saturation, Vce ≈ 0,2 V et le transistor se comporte comme un interrupteur fermé. En coupure, Ib = 0 ⇒ Ic ≈ 0, le transistor est ouvert. ### C. Polarisation (bias) et point de fonctionnement La polarisation fixe le Q‑point (IcQ, VceQ) sur la caractéristique de sortie. Les méthodes les plus courantes sont : 1. **Polarisation fixe** : une résistance Rb entre la base et Vcc fixe Ib. 2. **Polarisation à retour d’émetteur** : une résistance Re dans l’émetteur stabilise le point via la contre‑réaction négative. 3. **Polarisation en diviseur de tension** : deux résistances R1 et R2 forment un pont qui fixe Vb, indépendamment de β. Exemple de calcul (BJT NPN, Vcc = 12 V, hFE = 100, désiré IcQ = 2 mA) : - IbQ = IcQ / hFE = 2 mA / 100 = 20 µA. - Choisissons Rb = (Vcc – Vbe) / IbQ ≈ (12 V – 0,7 V) / 20 µA ≈ 565 kΩ → on prend 560 kΩ (valeur commerciale). - VceQ = Vcc – IcQ·(Rc + Re). Si Rc = 2 kΩ et Re = 0, VceQ ≈ 12 V – 2 mA·2 kΩ = 8 V. > **À retenir** : Le point de fonctionnement doit se situer dans la zone linéaire de la caractéristique pour éviter la distorsion. ### D. Spécifications essentielles | Paramètre | Symbole | Unité | Signification | |-----------|---------|-------|---------------| | Tension collecteur‑émetteur maximale | Vce(max) | V | Limite de tension avant avalanche | | Courant collecteur maximal | Ic(max) | A | Limite de courant avant surchauffe | | Gain de courant continu | hFE (β) | – | Rapport Ic/Ib en régime actif | | Tension de seuil grille‑source | Vgs(th) | V | Tension nécessaire pour créer un canal conducteur (MOSFET/JFET) | | Résistance drain‑source en état ON | Rds(on) | Ω | Pérte de conduction d’un MOSFET | | Puissance dissipable | Pd(max) | W | Limite thermique (avec dissipateur) | | Fréquence de coupure | ft | Hz | Fréquence où le gain chute à 1 | ### E. Choix d’un transistor selon l’application - **Commutation de puissance** : privilégier un MOSFET à faible Rds(on) et Vgs(th) compatible avec la logique (ex. IRLZ44N, Vgs(th) ≈ 1‑2 V, Rds(on) ≈ 22 mΩ). - **Amplification linéaire faible signal** : BJT à haut hFE et faible bruit (ex. BC547, hFE ≈ 200‑450). - **Applications haute fréquence** : MOSFET à faible capacité grille‑drain (Cgd) ou BJT RF (ex. 2N2222A). - **Environnement soumis à ESD** : ajouter une protection (diode de clamping) ou choisir un dispositif avec gate‑protected MOSFET. > **À retenir** : Le choix se fait en comparant les contraintes de tension, de courant, de puissance dissipable et de commande (courant ou tension) avec les spécifications du composant. ## II. Leçon 14 : Montages/fonctions de bases des transistors : commutation (commande de relais); amplification (EC, CC et BC), stabilisation; test des transistors ### A. Montage en commutation (commande de relais) Un transistor en commutation travaille soit en saturation (fermé) soit en coupure (ouvert). Pour commander un relais 12 V, bobine R = 200 Ω, courant de bobine I = V/R = 12 V/200 Ω = 60 mA. - Sélectionner un transistor pouvant supporter au moins le courant de bobine avec une marge de sécurité (ex. 2×Ic). - Avec un BJT BC547 (hFE ≈ 100), Ib nécessaire = Ic/hFE = 60 mA/100 = 0,6 mA. - Choisir Rb = (Vcmd – Vbe)/Ib. Si Vcmd = 5 V (sortie microcontrôleur), Rb ≈ (5 V‑0,7 V)/0,6 mA ≈ 7,2 kΩ → on prend 6,8 kΩ. - Placer une diode de roue libre (ex. 1N4001) en parallèle avec la bobine du relais pour absorber les surtensions lors de la désactivation. > **À retenir** : La diode de roue libre protège le transistor contre les tensions d’induction négatives. ### B. Amplificateurs de base #### 1. Émetteur commun (EC) - Entrée sur la base, sortie sur le collecteur, émetteur commun à la masse (souvent via une résistance Re pour la stabilisation). - Gain de tension approximatif : Av ≈ –Rc/(Re + re’), où re’ = 25 mV/Ie (à température ambiante). - Exemple : Ic = 2 mA ⇒ Ie ≈ 2 mA, re’ ≈ 12,5 Ω. Avec Rc = 2 kΩ, Re = 0 ⇒ Av ≈ –2000/12,5 ≈ –160. #### 2. Collecteur commun (CC ou suiveur de tension) - Entrée sur la base, sortie sur l’émetteur, collecteur à Vcc. - Gain de tension ≈ 1 (suiveur), impédance d’entrée élevée, impédance de sortie faible. - Utilisé pour l’adaptation d’impédance (ex. tampon entre un capteur à haute impédance et un étage suivant). #### 3. Base commun (BC ou ampli de courant) - Entrée sur l’émetteur, sortie sur le collecteur, base à la masse (souvent via un decouplage). - Gain de courant ≈ hFE, gain de tension faible (<1). - Utilisé pour l’amplification de courant (ex. driver de LED puissance). ### C. Stabilisation du point de fonctionnement La stabilité contre les variations de température et de β est obtenue par : - **Résistance d’émetteur (Re)** : crée une contre‑réaction négative ; toute augmentation d’Ic augmente la chute de tension sur Re, réduisant Vbe et donc Ib. - **Diviseur de tension avec Re** : combinaison du pont de polarisation et de Re pour rendre Vb peu dépendant de β. - **Biais par rétroaction** : retour d’une partie du signal de sortie vers l’entrée via un réseau RC pour réduire le gain et améliorer la linéarité. > **À retenir** : Une bonne stabilisation permet de conserver le Q‑point malgré les variations de hFE avec la température. ### D. Test des transistors 1. **Test en diode (multimètre)** : - BJT NPN : pointe rouge sur base, noire sur émetteur → lecture ≈ 0,6 V (jonction base‑émetteur en direct). Inverser les pointes → lecture OL (jonction base‑émetteur en inverse). - De même, pointe rouge sur base, noire sur collecteur → lecture ≈ 0,6 V (jonction base‑collecteur en direct). Inverser → OL (jonction base‑collecteur en inverse). - MOSFET : entre drain et source, aucune conduction en mode diode (lecture OL) ; entre grille et source, lecture OL (aucune conduction, impédance d’entrée très élevée). 2. **Mesure du gain (hFE)** avec un testeur de transistors : appliquer un Ib connu, mesurer Ic, calculer hFE = Ic/Ib. 3. **Vérification de saturation** : appliquer une Ib suffisante, mesurer Vce ; si Vce < 0,2 V, le transistor est en saturation. > **À retenir** : Un transistor défectueux montre soit une jonction court-circuitée (0 V), soit ouverte (OL) dans les deux sens. ## III. Leçon 15 : Types : Les composants optoélectroniques : LED, Photodiodes, Phototransistors, Photorésistance, Optocoupleurs, Fonctionnement, Les spécifications essentielles, Montages, Test ### A. LED (Light‑Emitting Diode) - Fonctionnement : recombinaison d’électrons et de trous dans la zone de jonction sous polarisation directe, émission de photons. - Spécifications essentielles : - Tension directe (Vf) : généralement 1,8‑3,3 V selon la couleur. - Courant direct recommandé (If) : 5‑20 mA pour les LED classiques, jusqu’à 1 A pour les LED puissance. - Longueur d’onde (λ) : détermine la couleur (ex. 620 nm rouge, 470 nm bleu). - Angle de vue : détermine la diffusion de la lumière. - Montage typique : résistance série Rs = (Vsupply – Vf)/If. Exemple : Vsupply = 5 V, Vf = 2 V, If = 10 mA → Rs = (5‑2)/0,01 = 300 Ω. - Test : mesure de Vf en polarisation directe avec un multimètre (lecture ≈ Vf) ; absence de conduction en inverse. > **À retenir** : La LED doit toujours être protégée par une résistance de limitation de courant. ### B. Photodiode - Fonctionnement : génération d’un courant proportionnel à l’intensité lumineuse incidente (effet photoélectrique interne). - Spécifications : - Courant d’obscurité (Idark) : courant en absence de lumière (quelques nA). - Sensibilité (S) : A/W ou µA/(lx·cm²). - Temps de réponse (tr, tf) : généralement < 1 ns pour les photodiodes rapides. - Plage spectrale : fonction du matériau (Si : 400‑1100 nm). - Montage : en mode photovoltaïque (tension générée) ou en mode photoconducteur (polarisation inverse, résistance de charge RL). Exemple : RL = 10 kΩ, lumière de 100 lx → Iph ≈ 5 µA → Vout = Iph·RL ≈ 50 mV. - Test : mesurer le courant inverse avec une source de lumière connue (lampe LED) et comparer à l’obscurité. > **À retenir** : En mode photoconducteur, la photodiode est polarisée en inverse pour augmenter la linéarité. ### C. Phototransistor - Fonctionnement : similaire à un transistor bipolaire où la base est exposée à la lumière ; le courant collecteur est amplifié par le gain du transistor. - Spécifications : - Sensibilité (collecteur‑émetteur) : µA/(lx·cm²) souvent plus élevée que la photodiode grâce au gain (hFE). - Temps de réponse : plus lent que la photodiode (quelques µs) à cause de la capacité de base. - Tension Vce(max) et courant Ic(max) similaires à un transistor classique. - Montage : collecteur relié à Vcc via une résistance Rc, émetteur à la masse ; la lumière sur la base module Ic. Exemple : Vcc = 12 V, Rc = 2 kΩ, obscurité Ic ≈ 0 µA → Vc ≈ 12 V ; lumière forte Ic = 2 mA → Vc ≈ 12 V – 2 mA·2 kΩ = 8 V. - Test : mesurer Vc avec et sans illumination ; la variation indique le bon fonctionnement. > **À retenir** : Le phototransistor offre un gain de courant mais une vitesse inférieure à celle de la photodiode. ### D. Photorésistance (LDR – Light Dependent Resistor) - Fonctionnement : résistance qui varie inversement avec l’intensité lumineuse (matériau sulfure de cadmium ou autres). - Spécifications : - Résistance dans l’obscurité (Rdark) : plusieurs MΩ à dizaines de MΩ. - Résistance à l’illumination nominale (Rlight) : quelques centaines d’Ω à quelques kΩ selon le flux. - Temps de réponse : typiquement 10‑100 ms (lent). - Montage : en diviseur de tension avec une résistance fixe Rf. Exemple : Vcc = 5 V, Rf = 10 kΩ, LDR dans l’obscurité R≈1 MΩ → Vout ≈ Vcc·Rf/(Rf+R) ≈ 5 V·10 kΩ/1,01 MΩ ≈ 49 mV ; sous forte lumière R≈1 kΩ → Vout ≈ 5 V·10 kΩ/(10 kΩ+1 kΩ) ≈ 4,55 V. - Test : mesurer la tension de sortie avec et sans illumination ; une variation significative indique un bon fonctionnement. > **À retenir** : La photorésistance est lente mais simple à utiliser pour des détecteurs de lumière à faible coût. ### E. Optocoupleurs - Fonctionnement : composé d’une LED émettrice et d’un photodétecteur (phototransistor, photodiode ou photorésistance) encapsulé, permettant une isolation électrique entre entrée et sortie. - Spécifications essentielles : - Tension d’isolement maximale (Viso) : généralement plusieurs kV (ex. 5 kV). - Courant de déclenchement de la LED (If) : généralement 5‑10 mA. - Gain de courant du phototransistor (CTR, Current Transfer Ratio) : pourcentage (ex. 50‑600 %). - Temps de montée et de chute (tr, tf) : dépend du détecteur (phototransistor quelques µs, photodiode quelques ns). - Tension maximale de sortie (Vce) et courant de sortie (Ic) du détecteur. - Montage typique : entrée : LED avec résistance série limitant le courant (Rs = (Vin – Vf)/If). Sortie : phototransistor collecteur relié à Vcc via résistance Rc, émetteur à masse ; la lumière de la LED module le courant de sortie. - Test : mesurer la tension directe de la LED (≈ Vf) ; appliquer un courant connu à la LED et mesurer le courant de sortie pour vérifier le CTR ; vérifier l’isolement en mesurant la résistance entre entrée et sortie (doit être > GΩ). > **À retenir** : L’optocoupleur permet d’isoler électriquement deux circuits tout en transmettant un signal.